Den 3 april 1991 syster Emma Fondevilla, en missionär baserad i en infödd Aeta-by på flankerna av Mount Pinatubo, på den filippinska ön Luzon, ledde en grupp bybor till möten med forskare från Philippine Institute of Volcanology and Seismology (PHIVOLCS). Fondevilla och byborna berättade för forskarna om en serie ångutbrott på nordvästra sidan av berget.
Det som utvecklades nästa skulle förändra historiken. På något sätt, mot allvarliga odds, övertygade forskare tjänstemän att evakuera mer än 65 000 människor som bor i Pinatubos skugga. Deras outtröttliga ansträngningar är en av de mest framgångsrika riskreducerande ansträngningarna vid ett stort vulkanutbrott.
Den 15 juni kl. lokal tid utbröt Pinatubo – den största vulkaniska explosionen sedan Alaskas Novarupta 1912. Dess askmoln innehöll 5 kubikmeter material – höjd till 40 kilometer högt. Eftersom en tyfon som passerade samtidigt medförde kraftiga regn, rusade snabba flöden av aska, lera och vulkaniska skräp som kallas lahars nerför vulkanen, slätade ut städer, krossade genom djungeln och kvävde risfält och sockerrörsfält. Vattnet blandades också med fallande aska, vilket skapade en cementliknande substans och många byggnader kavade in från vikten. Mer än 350 personer dog under utbrottet, de flesta av kollapsande tak.
Effekter från Pinatubo slutade inte det datumet för 25 år sedan. Gas från askplomman kastade vädermönster och dämpade effekterna av den globala uppvärmningen för nästa år. Lahars, som kan springa nerför ett berg efter kraftiga regn, fortsatte att utgöra hot mot omgivande befolkningar mer än ett decennium senare.
Pinatubos utbrott slog mark, bokstavligt och bildligt. Här är åtta sätt som Pinatubo förändrade sättet vi närmar oss och lär oss av vulkanrisker.
Första snabba vetenskapliga bedömningen av en vulkanhistoria
När Pinatubo började mullra, satte PHIVOLCS upp tre seismometrar på dess nordvästra flank. Efter att forskare från US Geological Survey (USGS) – en del av Surveys Volcano Disaster Assistance Program (VDAP) – anlände den 23 april, inrättade de ett seismiskt nätverk med sju stationer som ligger mellan 1 och 19 kilometer från vulkanen. Under hela maj registrerade seismometrar minst 200 små jordbävningar per dag.
En helikoptermonterad spektrometer – en enhet som ursprungligen utvecklades för att övervaka utsläpp från rökstackar – spårade dramatiska ökningar av svaveldioxidutsläpp från ventiler. Gas flyr ut när magma stiger i en vulkan, så detta tecken på rörlig magma, tillsammans med ökad seismicitet och deformation mätt med tiltmetrar, fick forskare att tro att ett utbrott var nära förestående.
Men forskare stod inför ett stort problem: De hade bara några veckor att lära sig så mycket som möjligt om Mount Pinatubos utbrottshistoria innan det blåste. Lägg till en annan utmaning: Ingen basinformation om vulkanen fanns, förutom ett koldatum från en 1980-talsundersökning av området som en möjlig plats för ett kärnkraftverk, säger John Ewert, en geolog och medlem av VDAP-teamet som satsades på Filippinerna.
En av de första sakerna som VDAP-teamet gjorde var att konsultera katalogen över aktiva vulkaner från Smithsonian Institutions Global Volcanism Program. Pinatubo var inte ens i den då, sa Ewert.
VDAP-forskare slösade bort tid. De studerade lager av forntida pyroklastiska flöden och lahars som omger vulkanens alla sidor. De samlade in och daterade prover av kol. De flög i helikoptrar runt vulkanen och kartlagde omfattningen av tidigare flöden och besökte utsprång.
Från luften såg forskarna att pyroklastiska flöden verkade ”högt upp på åsar eller över åsar som skulle ha blockerat alla men de största flödena, berättade Chris Newhall, en vulkanolog som var en del av VDAP-teamet på Filippinerna, till Eos. Observationerna bekräftade hur stort det förestående utbrottet kunde vara.
Från dessa studier tänkte forskarna att ut att vulkanen exploderade under minst sex utbrottstider under de senaste 5000 åren, korta utbrott av aktivitet följt av långa, tysta perioder.Det senaste utbrottet inträffade för 500 år sedan. Dessutom byggdes omgivande byar på gamla pyroklastiska flöden och lahars.
Första framgångsrikt mobiliserade omfattande evakueringar
I början av juni sjönk svaveldioxidutsläppen kraftigt till cirka 250 ton per dag. Forskare misstänkte att detta innebar att den trögflytande, stigande magma hade klämt fast sprickor eller hade svalnat och förlorat flyktiga ämnen, vilket på något sätt hindrade gas från att fly.
Omkring samma tid ökade jordbävningar i Pinatubo i styrka och varaktighet. I början av juni flyttade jordbävningsklusterna från nordväst om vulkanen till strax under toppmötet. Den 7 juni började en lavakupol dyka upp och den 10 juni hoppade svaveldioxidutsläppen upp till mer än 13 000 ton per dag. Under de närmaste dagarna skakade explosioner – några genererande kolonner av aska och skräp upp till 24 kilometer höga – vulkanen.
Dessa tecken pekade på en sak: Vulkanen skulle blåsa. Men hur kunde forskare övertyga de nästan en miljon människor som bor runt vulkanen att de kan behöva evakuera?
Insatserna var höga: Bara 6 år tidigare bröt Nevado del Ruiz i Colombia ut och dödade mer än 23 000 människor . En ”kommunikationsfördelning” bland forskare och lokala myndigheter var delvis skyldig, sa Ewert.
På bara några veckor var PHIVOLCS och VDAP-forskare tvungna att tolka all information de samlade om vulkanens utbrottshistoria och forma det till ett enkelt varningsschema. Systemet måste vara effektivt och lättsmält – tillräckligt så att de kunde övertyga tiotusentals människor som bodde runt vulkanen, som talade flera olika dialekter och till och med olika språk, att evakuera.
Språket var inte det enda hindret. ”En av våra största utmaningar när vi kom till Filippinerna var att faktiskt övertyga människor var en vulkan,” sa Ewert. Många lokalbefolkningen anklagade forskarna från både PHIVOLCS och USGS för att ljuga av ekonomisk vinst eller politiska skäl.
Teamet höll ut och samlade lokala ledare i städer, städer och små byar för att förklara farorna och svara på frågor. En del av denna utbildningskampanj involverade visning av grymma videofilmer från Nevado del Ruiz-tragedin som skildrade destruktiva askflöden, vulkaniska lerflöden, askfall, jordskred, lavaströmmar och mer. Även om forskarna var bekymrade över att överskatta farorna, bedömde de i slutändan (och bedömer fortfarande) att starka bilder behövdes för att väcka befolkningen, ”reflekterade PHIVOLCS och USGS-forskare 1996.
Här forskare lärde sig en kraftfull läxa i riskreducering. Som Ewert förklarade, ”Att visa människor vad som hade hänt på andra platser i världen var mycket effektivare än en forskare som stod upp i en folkmassa och försökte förklara det med tolkande dans och handgester.”
I början av juni krävde tjänstemän evakuering av 25 000 människor som bodde i området, inklusive amerikanska servicefolk vid Clark Air Base och US Naval Station vid Subic Bay. ”Den 14 juni var den rekommenderade evakueringsradien 30 kilometer, vilket skulle ha gällt för kanske 400 000 människor,” sa Newhall. Aldrig tidigare hade ett sådant omfattande evakueringsförsök gjorts före ett vulkanutbrott.
Vid tiden vulkanen utbröt den 15 juni, forskare och offentliga tjänstemän hade övertygat mer än 65 000 människor att evakuera. Mer än 350 dog under utbrottet, men USGS och PHIVOLCS uppskattar att evakueringsarbetet räddade mellan 5000 och 20 000 liv.
Betydelsen av effektiv kommunikation
1991 var forskarna tvungna att leta upp information i böcker, göra fotokopior och faxinformation till varandra, sa Ewert. en tid innan GPS och innan data kunde skickas via satellit. Smartphones var science fiction.
I en tid utan en 24-timmars nyhetscykel kunde forskare vid PHIVOLCS och USGS inte förse de lokala befolkningarna med minut-till- minutuppdateringar, mycket mindre vardag och rykten sprids. Ett av dessa rykten hävdade att en 3 mil lång spricka hade bildats efter utbrottet och att den närliggande staden Olongapo snart skulle drabbas av en gigantisk sidosprängning.
”Mobiltelefoner hjälpte kort, så länge när deras batterier varade, ”reflekterade forskare från PHIVOLCS och USGS 1996.”Men det var inte förrän den 16 juni som vi kunde berätta för landet att en kaldera redan hade bildats och att utbrottets klimax troligen hade passerat.”
Dagens avancerade verktyg skulle ha varit till hjälp, men ”i slutet, för framgångsrik minskning av naturliga faror, handlar allt om hur effektiva forskare och offentliga tjänstemän är i att kommunicera med varandra och allmänheten, ”sa Ewert till Eos.
Ny förståelse för utlösare för utbrott som involverar flera Typer av magma
Efter sprängningen avslöjade undersökningar av kyld lava att utbrottet involverade en blandning av olika typer av magma, ett fenomen som hade sett tidigare men som inte helt förstods. Forskare hade varit medvetna om blandade magmautbrott, men de var inte säkra på vad som utlöste dem, sa Ewert.
Magma kan klassificeras i typer som skiljer ut hur mycket kiseldioxid de innehåller och hur viskösa de är, bland andra egenskaper. Basaltiska vulkaner, som de på Hawaii, har mindre viskösa, ”rinnande” magmapoolar. Kiselmagma – gjord av dacit eller rhyolit – är klibbigare och mer viskös. Det håller mer gas som när den är trycklös, bryter ut mer explosivt.
Studier av lavafällningar efter att Pinatubo exploderade avslöjade något nyfiket: mineraler intill varandra som normalt inte skulle samexistera tillsammans om magma kom från en källa, förklarade Newhall. Termiska signaturer – till exempel kristaller som delvis resorberar, kemisk diffusion mellan kristaller – föreslog att magma var inledningsvis en blandning av basalt och dacit före utbrottet. Men i slutet av utbrottet var magma helt dacit.
Basaltmagma är tätare än dacit, så baserat på densitet ensam, ”skulle basalt ha fastnat under daciten, sade Newhall. Istället steg den in i daciten och blandades med den. Men hur?
Först när den färska, vattenrika och betydligt varmare basalen träffade den kallare dacitbehållaren, kristalliserade basalen, förklarade Newhall. Det pressade basaltets vatten och andra upplösta gaser i den återstående smältan. I stället för att förbli begränsat flydde flyktiga ämnen från smältan och ”bildade små bubblor som minskade densiteten hos den totala basaltiska magma”, sa Newhall. ”Så det var flytande och steg in i och blandades med en liten mängd av daciten. Det tillförde ännu fler flyktiga ämnen. ”
Den resulterande uppslamningen var fortfarande mindre tät än omgivningen, så den fortsatte att stiga och var den första som utbröt. Så småningom värms daciten i sig tillräckligt för att stiga upp till ytan och bryta ut.
Denna magmablandning manifesterades som subtilt mullrande jordbävningar som ibland varade ungefär en minut långa, kallade djupa långvariga jordbävningar (DLP). Långvariga jordbävningar indikerar att magma tränger in i omgivande berg, men forskare har oftare observerat dessa händelser på djup mindre än 10 kilometer. Före Pinatubo hade DLP-jordbävningar sällan observerats och förstods inte helt.
Numera är DLP-jordbävningar ”något vi letar efter om vi har en vulkan som vaknar”, sa Ewert. En sådan signal ger forskare ledtrådar till rörelser inom vulkanens rörsystem.
Upptäckt att mer gas bryter ut än studier av stenar kan avslöja
Fram till Pinatubo antog forskare att mängden gas som ett vulkanutbrott släppte – främst vatten ånga, koldioxid och svaveldioxid – styrdes av volymen magma som utbröt och mättnadsnivåerna som gasen kunde nå inom magma, beroende på magmas temperatur. Att samla in denna information innebär att man studerar kristaller av kyld lava efter ett utbrott, sa Ewert .
Men vad forskare fann vid Pinatubo genom att direkt studera utsläpp var att ”det var mycket mer svavelgas som släpptes ut i atmosfären än vad som kunde redovisas ”Genom att studera kristaller, sa Ewert. Detta antydde att utsläpp av vattenånga och koldioxid – de gaser som dominerar utsläpp – också var mer än vad forskare förväntade sig.
Innan Pinatubo trodde forskare att gas som inte kunde lösas i magma flydde genom ventiler. till ytan. Men hela 17 megaton svaveldioxid släpptes ut genom explosionen, mätt med satellitspektrometer.Detta antydde att stora mängder gas kunde ackumuleras som bubblor och förbli i magmakammaren, förklarade Newhall
Eftersom detta överflödiga gas gör ett utbrott mer explosivt, kan det till och med vara att sådan fri gas krävs för en Pinatubo -som utbrott, sa Newhall. Om flyktiga ämnen redan är i överskott kan de expandera omedelbart när trycket sjunker, utan att någon fördröjning sprids genom smältan.
Att veta att magmas kan hålla överflödig gas kan hjälpa till med prognosarbete, förklarade Newhall. Till exempel, om en vulkan har anslutits sedan dess tidigare utbrott ännu har laddats kontinuerligt med ny magma och gas från djupet, kan forskare undersöka tiden mellan dess utbrott för att mäta om vulkanen har ackumulerat tillräckligt med överskott av gas för att göra den särskilt explosiv.
Belysning av detaljer om atmosfärisk cirkulation
Den totala mängden svaveldioxid som släpptes före och under utbrottet orsakade den mest djupgående effekten på stratosfären sedan Krakatau 1883. De svavel aerosoler som bildades från svaveldioxiden cirkulerade jorden inom tre veckor och stannade i atmosfären i tre år, vilket reflekterade tillräckligt med solljus för att kyla hela planeten med en halv grad Celsius under den tiden.
Men under den följande vintern , Europa upplevde överraskande varma temperaturer. Denna vinteruppvärmning har inte observerats efter tidigare vulkanutbrott, som Mexikos El Chichón 1982. Vad kan hända?
Använda atmosfäriska cirkulationsmodeller och datorsimuleringar för att studera hur Pinatubos svavel aerosolmoln reste runt världen fann forskare att svavel aerosoler reflekterar solljus utåt medan de absorberar värme underifrån, vilket leder till kylning av troposfären medan de värmer upp den nedre stratosfären, förklarade Alan Robock, en atmosfärforskare vid Rutgers University i New Brunswick, NJ
Denna temperaturgradient stärkte den arktiska oscillationen, ett vindmönster som cirklar runt Arktis. I sin starka fas drar den arktiska oscillationen varm luft från havet, värmer upp norra Europa och förskjuter den globala jetströmmen norrut – ”vindfloden” som flyter runt jorden.
Den förskjutna jetströmmen tillåts varma vindar flyter över norra halvklotet under vintern, sa Robock. Eftersom jetströmmen flyter som en våg, medan Europa fick varm luft från söder, fick Mellanöstern kallare luft från norr, vilket gav Jerusalem den värsta snöstormen på 40 år.
”Vid tiden för Pinatubo-utbrottet visste ingen om vinteruppvärmningen,” sa Robock. Beväpnad med framsteg inom modellering, plus de högt övervakade atmosfäriska effekterna av Pinatubos utbrott, är atmosfärforskare bättre beredda att förutsäga de globala effekterna av nästa stora utbrott, tillade Robock.
Ett förstärkt fall som människor orsakar global uppvärmning.
Utbrottet hjälpte forskare att slutgiltigt förklara att mänskliga utsläpp av växthusgaser är skyldiga åtminstone de senaste 60–70 åren av uppvärmningen.
Forskare spårade svavel aerosoler från Pinatubos utbrott som de reste runt om i världen. Under två år efter explosionen kyldes yttemperaturen, vilket prognostiseras av klimatmodeller som inkluderade Pinatubos injektioner i atmosfären. Temperaturerna ökade igen när de kyla aerosolerna föll ur atmosfären.
Pinatubo fungerade på sätt och vis som ett naturligt klimatexperiment för att testa och kalibrera modeller. Forskare kopplade observerade vulkanutsläpp till klimatförändringsmodeller med och utan antropogena utsläpp av växthusgaser. I simuleringarna som endast inkluderade vulkanutbrott såg forskare inte de senaste 60–70 åren av konsekvent uppvärmning, förklarade Robock.
Denna observation hjälpte klimatforskare att skärpa sina modeller ytterligare och bekräftade att människor – och oöverträffade mängder växthusgaser som de pumpar ut i atmosfären varje år – har skulden för det uppvärmda klimatet. Mellanstatliga panelen för klimatförändringar kunde använda dessa nyligen skärpta modeller för att ytterligare stödja tillskrivningen av klimatförändringar till mänskliga aktiviteter.
Mer vikt till argument mot geoteknik
Vissa forskare har föreslagit hacka in i vår egen atmosfär för att motverka effekterna av klimatförändringar, men Pinatubos utbrott väckte stor oro över huruvida sådan direkt manipulation kunde kontrolleras. Känd som ”geo-engineering”, skulle en av dessa metoder innebära att svaveldioxidpartiklar injiceras i atmosfären precis som ett vulkanutbrott skulle göra.
Robock och andra forskare är överens om att denna typ av injektion skulle få negativa konsekvenser.En konsekvens är förstörelsen av atmosfärens ozonskikt, vilket förhindrar att farliga ultravioletta strålar träffar jorden.
Moln av svavelsyrapartiklar – skapade när svaveldioxid som nyligen injicerats i stratosfären möter vatten – ger ytor på vilka ozon -förstörande kemiska reaktioner äger rum. Under de två åren efter utbrottet ökade atmosfärisk ozonförstörelse och ozonhålet över södra halvklotet ökade till en ”oöverträffad storlek.”
Robock sa att för att stoppa den globala uppvärmningen skulle människor behöva injicera 100 miljoner ton svaveldioxid i atmosfären varje år – det uppgår till cirka fem Pinatubo-utbrott per år. Forskare är i allmänhet överens om att konsekvenserna av geoteknik är för riskabla för att försöka. Det skulle vara säkrare och mer praktiskt att minska koldioxidutsläppen och ” håll fossila bränslen i marken, ”sa Robock.
Pinatubos arv
1996 skrev forskare från USGS och PHILVOLCS denna nykterande påminnelse om hur, om faktorer hade varit annorlunda, kanske inte katastrofen har avvärjats vid berget Pinatubo: ”I efterhand borde vi ha varit mindre oroliga för att överdriva faran och mer bekymrade över snabba förberedelser för evakueringar. Pinatubo tog nästan oss.”
Mount Pinatubo står för tillfället relativt lugnt, cirka 300 meter kortare än det var innan det exploderade för 25 år sedan. Vad kan de kommande 25 åren ge Pinatubo? Tiden kommer att visa.
– JoAnna Wendel, Staff Writer; och Mohi Kumar, Scientific Content Editor, Eos.org